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倍角公式の計算|2θ を θ だけの式に直す

が混ざった式は、そのままでは扱えません。 だけの式に直すのが最初の一手です。

方程式でも最大最小でも、まずこの置きかえで にそろえます。そろえば 2 次式の問題に化ける。

逆に、 の 2 乗を の 1 次式へ落とす向きも使います。積分で要る形です。

どちらへ動かすかは、何を消したいかで決まります。

値を出す型

が第 2 象限で とします。 を出します。

まず を補います。第 2 象限なので負で、

が分かっているので を選びます。

検算します。。単位円に乗りました。

が負で が正なので、 は第 4 象限。 が第 2 象限なら から の範囲にあり、矛盾しません。

3 つの形をどう選ぶか

には 3 つの書き方があります[1]。手元にある値で選びます。

分かっている値選ぶ形理由
だけそのまま代入できる
だけそのまま代入できる
両方どれでもよい が最短

しかない場面で を選ぶと、 を先に出す手間が増えます。

方程式では選び方がもっと重要になります。残したい文字のほうへそろえる。

tan が与えられる場合

のとき を出します。

。角が 2 倍になっても、値は 2 倍になりません。

のときは分母が になります。 が定義できない場合です。

だけで書けます。

なら の直角三角形が現れました[2]

方程式に使う型

で解きます。

を開いて にそろえます。

移項して 。両辺を で割ってはいけません。 の場合が消えます。

から から

答えは 4 つです。割り算をしていたら、 を落としていました。

が混ざる形も見ます。

を残したいので を選びます。

因数分解して です。

の 3 つ。 を選んでいたら、 が混ざって進めませんでした。

最大最小に使う型

の最大値と最小値を、 で求めます。

にそろえたいので を選びます。

と置くと 2 次関数になります。

の範囲は です。ここを書き落とすと答えが変わります。

頂点 が範囲の右端に入っているので、最大値は なので

最小は左端の なので

2 倍角で文字をそろえ、置きかえて 2 次関数にする。この流れが最大最小の定石です。

置きかえたら、新しい文字の範囲 を必ず書きます。

なら 。範囲を書かないと、頂点が範囲の外にある場合を見落とします。

式を示す型

を示します。

分子は 。分母は です。

分母で を選ぶのが要です。 が打ち消えて、きれいに約分できます。

を選ぶと となり、遠回りになりますが同じ答えに着きます。

まちがえやすい点

とする誤りが最も多い。 で試せば、 で違うと分かります。

の 3 つの形で、 の位置を入れ替える誤りもよく出ます。 が後ろ、 が前です。

方程式で両辺を で割る操作は禁物。 になる場合を落とします。

置きかえた文字の範囲を書き忘れる誤りも減点になります。 なら

の分母の符号も逆にしやすい。 で、引き算です。

のとき、 はどれですか。

__RESULT__

が分かっているので を選びます。 です。 の値で、公式ではありません。

方程式の型も確かめます。

の解はいくつありますか。

__RESULT__

を整理すると 、因数分解して です。 から から の合わせて 3 個になります。

にそろえ、残したい文字で形を選び、置きかえたら範囲を書く。倍角の計算はこれで通せます。

出典

Double-Angle, Half-Angle, and Reduction Formulas. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(2 倍角の 3 つの形と次数下げ).
É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, Proposition 1.9(formules de duplication).
$2\theta$ が混ざった式はそのままでは扱えません。$\theta$ にそろえた瞬間、2 次式の問題に化けます。$\cos 2\theta$ に 3 つの形がある意味は、残したい文字のほうを選べる点。$\cos 2\theta + 3\cos\theta + 2 = 0$ で $1 - 2\sin^2\theta$ を選ぶと $\sin$ と $\cos$ が混ざって進めなくなります。$\sin 2\theta = \sin\theta$ を両辺 $\sin\theta$ で割ると解が 2 つ消える話、$y = \cos 2\theta + 4\sin\theta$ を $t = \sin\theta$ で 2 次関数に落とすときに $-1 \le t \le 1$ を書く理由まで。